电磁无损检测技术及应用

周德强联系方式:zhoudeqiang@电磁无损检测及应用内容个人基本情况电磁无损检测常规涡流无损检测远场涡流无损检测多频涡流无损检测脉冲涡流无损检测漏磁无损检测一、个人基本情况2007.4-2010.6南京航空航天大学测试计量技术及仪器博士学位2008.9-2009.9受国家留学基金委资助在英国纽卡斯尔大学电气电子与计算机学院从事合作研究2002.9-2005.6华中农业大学农业机械化工程硕士学位1997.9-2001.6长江大学机械电子工程学士学位学习经历2011.10-至今无锡国盛精密模具有限公司博士后

2010.6-至今江南大学机械工程学院讲师硕士生导师2005.7-2007.1江苏技术师范学院机械与汽车工程学院

2001.7-2002.6武汉钢铁集团公司建设公司一、个人基本情况工作经历主持项目（1）国家自然科学基金青年基金（051107053）方向性脉冲涡流无损检测机理与应用研究25万（2）中国博士后基金5万（3）2012年入选“江苏省企业博士集聚计划”

20万申获专利3项，其中发明专利2项，实用新型1项。发表论文20余篇，其中国际期刊3篇（SCI检索），国内重要核心期刊3篇（EI检索）。一、个人基本情况科研情况二、电磁无损检测电磁无损检测定义：利用材料在电磁场的作用下呈现出的电磁特性变化来判断被测材料组织及有关性能的一类试验方法。分类：二、电磁无损检测分类，以方波为例：、和式中，、、分别为基准角频率、振幅谱和相位谱。二、电磁无损检测分类1）当时，为直流漏磁检测，此时被测试件中不产生涡流。2）当，且多项式中仅有一项时，产生单频激励。3）当时，且多项式中有多项式时，产生多频激励。4）当具有全频时，产生脉冲激励。二、电磁无损检测激励磁场的成分从磁场的穿透能力来看，直流磁化能够穿透铁磁性构件的全断面，因而能够激发出各个部位的缺陷产生出的磁场信息，但对非铁磁性构件直流磁化则无能为力；交流频率随着频率的提高，涡流渗入层面不断变薄，同时检测的灵敏度也将不断提高。2.从信息获取的角度来看，增加激励电流中的多项式以至达到脉冲激励，使得激励频率成分不断丰富，从而有可能得到更多的检测参数和方程去评估被测缺陷特征参数，如多频涡流、相控阵涡流技术等。3.从信号处理上看，直流磁化仅包含幅度信息，考虑磁场空间分布即可，交流激励含有了幅度、相位、频率等时空信息，因而分析的范围和参量更复杂。二、电磁无损检测三、常规涡流无损检测研究意义

输出与被测体电磁特性有关

电涡流传感器性能与探头线圈结构和几何参数相关

问题1同一企业或研究机构因被测体电磁特性不同需购进不同传感器问题3检测国外引进设备时，因不了解材料电磁特性而无法精确标定传感器。

问题2在野外作业时，用于测量某一被测体的传感器出现问题时不能用其他传感器不能替代

目的1

寻求消除被测体电磁特性对传感器输出影响的基础理论，并研究其实现方法目的2研究探头几何结构及其参数对传感器性能的影响，对提高传感器性能提供指导三、常规涡流无损检测线圈

被测体输入

一级磁场

二级磁场

涡流

三、常规涡流无损检测三、常规涡流无损检测

涡流等效电路单匝线圈的阻抗求解模型Oyxρ’z’I(t)z1区2区3区4区c1区：z<-c(c>0)

2区：-c<z<0

3区：0<z<z’

4区：z>z’三、常规涡流无损检测轴对称时谐电磁场本构方程约束方程内边界条件无限远边界条件定解问题三、常规涡流无损检测柱坐标系下SL型本征值问题方程

(1)(2)(3)分离变量法三、常规涡流无损检测t=λρBESSEL方程无限远边界条件内边界条件R的通解Z的通解三、常规涡流无损检测圆柱线圈阻抗求解模型yOxr1r2dhz线圈c1区：z<-c2区：-c<z<03区：0<z<h4区：z>d+h三、常规涡流无损检测三、常规涡流无损检测5区：h<z<d+h

P(ρ,,z)上部线圈单独作用

下部线圈单独作用

三、常规涡流无损检测入射场阻抗

散射场阻抗

三、常规涡流无损检测圆柱线圈阻抗的数值计算zρr2r1dhbc

三、常规涡流无损检测传感器磁场有限元仿真及线圈阻抗计算场量随时间按正弦规律变化线圈激励电压均匀分布忽略探头运动速度的影响线圈中的涡流忽略不计电导率和磁导率均为常数忽略位移电流，按似稳场处理忽略被测体电阻率的温度效应假设三、常规涡流无损检测有限元仿真3D模型(a)模型1(b)模型2探头线圈被测体近场空气远场空气探头线圈被测体被限定的空气三、常规涡流无损检测3D分析结果(b)模型2磁场强度分布图涡流密度分布图(a)模型1三、常规涡流无损检测3D分析结果(a)模型1(b)模型2被测体半径(mm)涡流密度(×103A/m2)12351133103192982772562352141931721507.29.06.38.1被测体半径(mm)122911271025923821719617515413311209涡流密度(×103A/m2)07.29.06.38.1涡流密度沿被测体径向分布曲线图三、常规涡流无损检测3D分析结果表1表2三、常规涡流无损检测有限元仿真2D模型xx(a)模型1(b)模型2线圈被测体yBAC空气线圈无限远空气BA近场空气被测体D三、常规涡流无损检测2D仿真结果和3D仿真结果比较可用2D模型代替3D模型进行电涡流传感器的电磁场仿真和线圈阻抗计算

表4三、常规涡流无损检测线圈阻抗理论和有限元计算值比较相关计算参数表5表6三、常规涡流无损检测结论：1一定范围外的空气对传感器磁场影响较小2利用轴对称可将3D模型简化为2D模型3理论计算法和有限元法得到了相互验证三、常规涡流无损检测(a)非磁性材料电阻(Ω)感抗(Ω)检测距离(mm)403020100-10-20-30-40-50-60-700.511.52感抗(c=4mm）感抗(c=infinite）电阻(c=4mm）电阻(c=infinite）0检测距离(mm)电阻(Ω)感抗(Ω)(b)铁磁性材料

感抗(c=0.04mm）感抗(c=infinite）电阻(c=0.04mm）电阻(c=infinite）非磁性材料的自旋排列图

铁磁性材料的自旋排列图

三、常规涡流无损检测消除传感器与被测材料相关性的方法方法的提出

感抗L电阻R投影平面Zp(x3)Zp(x2)Zp(x1)Фθx1x2x3Z1Z2Z3Zp3Zp2Zp1●●●O验证过程：

1.线圈电阻－感抗线性

2.关系曲线平行

3.线性变化

验证方法：有限元法和试验法三、常规涡流无损检测方法的验证——有限元法材料参数三、常规涡流无损检测感抗=76.17467+1.70342×电阻R SD N P0.99981 1.414336 <0.0001同一检测距离同一条直线三、常规涡流无损检测不同检测距离

平行三、常规涡流无损检测三、常规涡流无损检测有限元法验证结论1.在同一检测距离下、不同被测材料下线圈电阻和感抗呈线性关系；2.在不同检测距离下，线圈电阻和感抗的关系曲线相互平行；3.检测距离和各条直线截距不是线性变化的。

三、常规涡流无损检测方法的验证——试验法探头阻抗测试试验系统阻抗分析仪高精度位移标定器传感探头及延伸电缆夹具三、常规涡流无损检测电感(μH)电阻(Ω)90807060502070120电感=0.2759*电阻+47.933R2=0.9925同一检测距离线性三、常规涡流无损检测图4-14不同检测距离、不同被测材料下线圈电阻和电感之间的关系(900KHz)电阻(Ω)9085807570656055255075100125(0.10mm~2.00mm)不同检测距离平行三、常规涡流无损检测直线的相关参数三、常规涡流无损检测试验法验证结论1.在同一检测距离下、不同被测材料下线圈电阻和感抗呈线性关系；2.在不同检测距离下，线圈电阻和感抗的关系曲线相互平行；3.检测距离和各条直线截距不是线性变化的。

三、常规涡流无损检测两种验证方法结果比较实验法

有限元法

基础理论

0.28431.7010561.6077

斜率

互感M(H)磁场间的距离x(mm)非线性

表明：增加非线性校正环节后，可通过提出的方法实现与被测材料无关的功能三、常规涡流无损检测四、远场涡流远场涡流技术最早发表于1951年美国学者W.R.Maclean的一篇专利报告中。20世纪50年代末,壳牌公司的T.R.Schmidt教授成功研制出第一个在役远场涡流检测系统，用于油井套管检测。德国汉诺威大学利用远场涡流技术对接焊缝进行检测。日本横滨国立大学利用远场涡流现象对石油储罐的底板进行了检测。美国的IMTT公司已经成功的开发出可应用于金属以及金属基复合材料的远场涡流检测仪器，并且具有渗透深、灵敏度高等特点。2/2/202347管道远场涡流检测机理示意图管材2~3管内径激励线圈检测线圈低频交流电近场区过渡区区远场区区能量直接耦合通道能量的间接耦合通道四、远场涡流四、远场涡流

远场涡流效应的特征：1.幅值特性曲线出现拐点。2.相位特性曲线出现90°的相位急剧变化。3.间接耦合通道的能量二次穿过待检测材料。

(a)幅值特性曲线(b)相位特性曲线三、远场涡流

将管道中的远场涡流检测方法应用到平板导体件中的一个关键就是，能否设计一个系统，当激励线圈和检测线圈同在平板导体件的一侧时，使得检测线圈检测的也是两次穿过板厚的间接耦合通道的能量。五、多频涡流

阻抗分析法（或称相位分析法）的应用使涡流检测向前跨出一大步，但是，传统的相位分析法均采用单频率鉴相技术，最多只能鉴别受检测工件中的两个参数（即只能抑制一个干扰因素的影响）。单频涡流检测虽应用较广，如对管、棒、线材等金属产品的探伤。但对许多复杂重要的构件，如热交换器管道的在役检测，邻近的支撑板、管板等结构部件会产生很强的干扰信号，用单频涡流很难准确地检出管子的缺陷；又如对汽轮机叶片、大轴中心孔和航空发动机叶片的表面裂纹、螺孔内裂纹、飞机的起落架、轮毂和铝蒙皮下缺陷的检测，具有多种干扰因素待排除。五、多频涡流为了使涡流仪器能在试验中同时鉴别更多的参数，就需要增加鉴别信号的元器件，以便获得更多的试验变量，才能做到有效地抑制多种干扰因素影响，达到去伪存真的目的，提高检测的灵敏性、可靠性和准确性，对受检工件做出正确评价。多频/多参数涡流检测技术是1970年美国科学家Libby首先提出的，该方法采用几个频率同时工作，能有效地抑制多个干扰因素，一次性提取多个所需的信号（如缺陷信息、壁厚情况等）。多频涡流检测基本原理多频涡流法是同时用几个频率信号激励探头，它比用单一频率作为激励信号的试验方法能获得更多数据，检验中要如何充分利用所获取的丰富信号，对这些信号进行分析处理是多频涡流法所要解决的问题所在。五、多频涡流二、脉冲涡流检测技术的理论基础脉冲涡流检测原理试件激励线圈BexcIeddy霍尔传感器Beddy~),,,,(excitationrBxfwmr激励脉冲脉冲磁场瞬时涡流反磁场线圈阻抗的变化或磁传感器输出六、脉冲涡流检测二、脉冲涡流检测技术的理论基础涡流集肤深度的计算

单频涡流趋肤深度脉冲涡流趋肤深度六、脉冲涡流检测七、漏磁检测漏磁检测方法是一项自动化程度较高的磁学检测技术，其原理为：铁磁材料被磁化后，其表面和近表面缺陷在材料表面形成漏磁场，通过检测漏磁场来发现缺陷。从这个意义上讲，压力容器检测中常用的磁粉检测技术也是一种漏磁检测，但习惯上人们把用传感器测量漏磁通的方法称为漏磁检测，而把用磁粉检测漏磁通的方法称为磁粉检测，且将它们并列为